네오디뮴 철 붕소 폐기물 재활용: 놓칠 수 없는 보물 창고
네오디뮴 철 붕소(NdFeB) 영구 자석은 뛰어난 자기적 특성으로 풍력 발전, 신에너지 자동차, 전자 제품에 널리 사용되어 “자석의 왕”이라는 칭호를 얻었습니다. 그러나 NdFeB 자석 생산 공정에서 발생하는 스크랩 비율은 최대 30%에 달하며, 수명이 짧다는 점과 더불어 NdFeB 폐기물의 양이 매우 많습니다.
이러한 폐기물에는 최대 30%의 희토류 원소가 함유되어 있어 1차 희토류 광석 함량을 훨씬 초과하여 매우 귀중한 2차 자원입니다. NdFeB 폐기물에서 희토류 원소를 효율적으로 회수하는 것은 희토류 자원 확보, 환경 오염 감소, 그리고 지속 가능한 개발 촉진에 매우 중요합니다.
NdFeB 폐기물의 특성 및 출처
NdFeB 폐기물은 주로 자석 제조 공정에서 발생하는 스크랩, 불량 제품, 그리고 자석이 포함된 폐기 전자 제품에서 발생합니다. 화학적 조성이 복잡하여 주요 희토류 원소인 Nd와 Pr 외에도 보자력 향상을 위해 Dy와 Tb와 같은 원소가 첨가되고, 전반적인 성능 향상을 위해 Co, Al, Cu와 같은 원소가 첨가됩니다. 희토류 원소(REE) 함량에 따라 NdFeB 폐기물은 저희토류(REE < 20%), 중희토류(20%~30%), 고희토류(> 30%)의 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
현재 NdFeB 폐기물의 재활용 공정은 주로 건식제련, 습식제련, 그리고 새로운 재활용 기술로 나뉩니다.
(I) 건식제련 재활용 공정
건식제련 재활용은 고온 반응을 통해 철에서 희토류 원소를 분리합니다. 주요 방법으로는 선택적 산화, 염소화 분리, 액체 합금화, 슬래그-금속 용융 분리 등이 있습니다.
선택적 산화는 희토류 원소가 철보다 산소 친화도가 훨씬 높다는 사실에 기반합니다. 고온에서 희토류 원소는 선택적으로 산화되어 산화물을 형성하고, 이 산화물은 금속 철에서 분리됩니다. 나카모토(Nakamoto) 등은 산소 분압을 정밀하게 제어하여 순도 95% 이상, 회수율 99% 이상의 혼합 희토류 산화물을 성공적으로 제조했습니다.
염소화 분리는 희토류 원소와 염소 사이의 강한 친화력을 활용합니다. NH4Cl, FeCl2, MgCl2와 같은 염소화제를 사용하여 희토류 원소를 분리 전 염화물로 전환합니다. 우다(Uda)는 FeCl2를 염소화제로 사용하여 800℃에서 반응시켜 희토류 회수율 95.9%, 제품 순도 99%를 달성했습니다.
액상 합금화법은 희토류 원소와 철 사이의 다른 금속에 대한 친화력 차이를 활용하여 희토류 원소와 철의 효과적인 농축 및 분리를 달성합니다. 희토류 원소인 Nd는 Ag, Mg 등과 다양한 저융점 합금을 형성할 수 있습니다.
슬래그-금속 분리법은 NdFeB 폐기물 내 희토류 원소가 산소와 더 쉽게 결합한다는 특성에 기반합니다. NdFeB 폐기물 내 모든 금속은 금속 산화물로 전환됩니다. 동시에, 슬래깅제의 고온에서 산화철은 환원 조건을 조절하여 금속 Fe로 전환됩니다.
(II) 습식 회수 공정
습식 회수는 현재 가장 널리 사용되는 방법으로, 주로 전용해법, 염산 우선 용해법, 복염 침전법, 용매 추출법이 있습니다.
(III) 새로운 재활용 공정
새로운 재활용 기술은 수소 폭발, 생물침출, 전기화학적 방법을 포함한 기존 방법의 높은 에너지 소비 및 심각한 오염 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다.
다양한 재활용 공정과 환경 영향 비교
건식 제련 공정은 유속이 짧고 처리 용량이 크지만 에너지 소비량이 높고 단일 희토류 원소를 분리하는 데 어려움이 있습니다. 습식 제련 공정은 회수율이 높고 제품 순도가 높지만 산 소비량이 많고 폐수 처리 비용이 높습니다. 생물침출 및 전기화학적 방법과 같은 새로운 공정은 환경 친화적이지만 대부분 실험실 단계에 있으며 아직 대규모 적용은 이루어지지 않았습니다.
환경 영향 측면에서, 기존의 재활용 공정은 강산, 강알칼리, 고온을 사용하는 경우가 많아 다량의 폐액과 폐가스를 발생시켜 환경 부하를 증가시킵니다. 따라서 친환경적이고 저소비형 재활용 공정 개발이 매우 중요합니다.
NdFeB 폐기물 재활용은 희토류 자원 부족을 완화하고 환경 오염을 줄이는 핵심 방법입니다. 기술 혁신과 정책적 지원을 통해 NdFeB 재활용 산업은 친환경, 저비용, 짧은 공정, 높은 회수율을 목표로 발전하여 지속 가능한 발전에 새로운 활력을 불어넣을 것입니다.